PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERU
ESCUELA DE POSGRADO
PONTIFICIA
UNIVERSIDAD
CATÓLICA
DEL PERÚ
“BASES PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LA NORMA PERUANA DE
ANÁLISIS Y DISEÑO DE EDIFICIOS CON AISLACIÓN SÍSMICA”
Tesis para optar el grado de Magíster en Ingeniería Civil
AUTOR
Ing. ARNOLD RAMSEY MENDO RODRÍGUEZ
ASESOR
Ph.D VÍCTOR IVÁN FERNÁNDEZ-DÁVILA GONZALES
JURADO
MSc. Ing. JUAN ANTONIO ALEJO MONTALBETTI SOLARI
MSc. Ing. JUAN ALEJANDRO MUÑOZ PELAEZ
Lima – PERÚ 2015
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AGRADECIMIENTO
Quiero agradecer de manera muy especial a mi asesor PhD. Víctor Iván Fernández-Dávila Gonzales por su preocupación, aporte y apoyo incondicional en el desarrollo de este trabajo.
Al Msc. Ing. Alejandro Muñoz Peláez por la idea inicial que motivo el desarrollo de este trabajo. A los profesores del Departamento de Ingeniería Civil de la escuela de posgrado de la Pontificia Universidad Católica del Perú, por compartir su vasta experiencia y conocimientos que han contribuido a mejorar mi formación como ingeniero civil.
A mis grandes amigos John Julca, Yohana Delgado, José Rojas y la familia Vadillo por su invaluable apoyo durante todo el tiempo transcurrido al realizar mis estudios de maestría.
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DEDICATORIA
A Dios por iluminar y guiarme en el camino de mi vida.
A mis padres Orlando y Consuelo por su amor incondicional y ejemplo de vida.
A mis hermanos Samir y Masiel por su gran cariño.
A mi esposa Tania por ser mi fortaleza e inspiración.
A las niñas de mis ojos Mariana Solange y Ana Lucia por ser el motivo de mi vida.
A la memoria de mis abuelos Manuel & Blanca y Neptalí & Ángela.
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RESUMEN
En este trabajo se proponen los requisitos de análisis y diseño de sistemas de aislación sísmica tomando como referencia las normas americanas NEHRP Recommended Seismic Provisions FEMA P-750 (2009) y ASCE/SEI 7-10 (2010), la norma chilena NCh2745-2003 y su actualización del 2013. Esto surge como una necesidad debido al incremento de construcciones con sistemas de aislación sísmica en el Perú, sumado al requisito establecido en la actualización del proyecto de norma E.030 del 2015, para el uso de sistemas de aislación sísmica en la base en establecimientos de salud del Sector Salud del segundo y tercer nivel.
Entre las propuestas desarrolladas se encuentran las aceleraciones para el sismo de diseño y sismo máximo probable que permiten construir el espectro de diseño considerando un objetivo de riesgo uniforme de 1% en 50 años, los factores de modificación por incorporación de amortiguamiento (Bd),
los factores de amplificación de suelo para periodos estructurales mayores a 1,0 seg y los límites de desplazamiento para las estructuras sobre el sistema de aislación. Además, se propone adoptar la forma del espectro de diseño establecido en las normas americanas NEHRP 2009 ó ACE/SEI 7-10, el cual se construye con aceleraciones para periodos de 0,2 seg y 1,0 seg. Las aceleraciones para estas ordenadas espectrales se obtuvieron del estudio de peligro sísmico de 11 ciudades del Perú agrupadas en 4 zonas según el proyecto de norma E.030 del 2015, amplificadas para considerar de una manera simple y práctica el efecto de la máxima dirección, mediante un factor calculado como la relación entre la ordenada espectral máxima de las dos componentes registradas en un señal sísmica y la aceleración correspondiente a la media geométrica o geoman (√S1.S2). El factor de amplificación
que define el sismo máximo probable, fue calculado mediante la relación entre las aceleraciones para un objetivo de riesgo uniforme de 1% en 50 años (convolución de las curvas de peligro sísmico y las curvas de fragilidad) y las aceleraciones para el sismo de diseño (geoman) de las 11 ciudades consideradas en este trabajo, amplificadas para considerar el efecto de máxima dirección.
Los factores de modificación amortiguamiento (Bd) fueron calculados en base a la respuesta de
desplazamientos de 14 señales sísmicas (dos componentes por señal) ajustando el promedio de la combinación SRSS de las dos componentes al espectro de diseño propuesto, usando el método denominado Mean Spectrum Matching.
Los factores de amplificación de sitio se ajustaron a las funciones de amplificación propuestas por Roger D. Borcherdt para el territorio de Estados Unidos.
Finalmente, se desarrolla un ejemplo de cálculo de un edificio con aislamiento sísmico comparando su respuesta estructural considerando los requisitos propuestos en este trabajo y los requisitos establecidos en la norma NCh2745-2003 y el ASCE SEI7-10
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INDICE GENERAL
Capítulo I : INTRODUCCION Y ANTECEDENTES ... 1
1.1 INTRODUCCIÓN ... 1
1.2 ANTECEDENTES ... 1
1.3 OBJETIVOS DE LA TESIS ... 2
1.4 REFERENCIAS NORMATIVAS ... 3
1.4.1 Normas Americanas: NEHRP 2009 Y ASCE/ SEI 7 ... 3
1.4.2 Norma Chilena: NCh2745-2003, Análisis y diseño de edificios con aislación sísmica – Requisitos y su actualización del año 2013. ... 4
1.4.3 Propuesta para el código internacional de aislamiento sísmico (CW2012) ... 4
1.4.4 Proyecto de actualización de la norma peruana E.030 diseño sismorresitente ... 5
1.5 ALCANCES Y METAS ... 5
Capítulo II : CONCEPTOS GENERALES ... 9
2.1 CONCEPTOS SOBRE LOS SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA ... 9
2.2 EL DISEÑO CONVENCIONAL Y LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN SÍSMICA ... 9
2.3 OBJETIVOS DEL EMPLEO DE SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA... 10
2.4 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA AISLACIÓN SÍSMICA ... 10
2.5 CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA ... 12
2.6 FACTIBILIDAD E IMPACTO DEL USO DE SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA ... 12
2.6.1 Estructuras nuevas ... 13
2.6.2 Reforzamiento de estructuras existentes ... 15
2.6.3 Verificaciones de estabilidad al levantamiento y volteo ... 16
2.7 TIPOS DE AISLADORES SÍSMICOS ... 17
2.7.1 Aisladores elastoméricos ... 17
2.7.2 Aisladores elastoméricos con núcleo de plomo – Lead Rubber Bearing (LRB) ... 19
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ii
2.7.4 Aisladores basados en resortes helicoidales y amortiguamiento viscosos ... 24
2.8 MODELOS DE LOS SISTEMAS DE AISLACIÓN ... 26
2.8.1 Modelo lineal equivalente para aisladores sísmicos ... 26
2.8.2 Modelo no lineal para aisladores sísmicos ... 27
2.8.3 Modelo no lineal para aisladores elastoméricos ... 28
2.8.4 Modelo no lineal para aisladores friccionales ... 33
2.9 PARÁMETROS GENERALES PARA EL DISEÑO DE AISLADORES SÍSMICOS ... 36
2.9.1 Consideraciones generales para el diseño de sistemas de aislamiento ... 36
2.9.2 Diseño de aisladores de elastoméricos de alto amortiguamiento HDR, con núcleo de plomo (LRB) y de fricción (FP) ... 41
Capítulo III : COMPARACIÓN ENTRE LA NORMA PARA AISLAMIENTO SÍSMICO NEHRP 2009 – FEMA P 750 Y Nch2745-2003 ... 42
3.1 INTRODUCCIÓN ... 42
3.2 REQUISITOS GENERALES PARA EL EMPLEO DEL SISTEMA DE AISLACIÓN ... 42
3.3 REQUERIMIENTOS GENERALES PARA EL SISTEMA ESTRUCTURAL ... 43
3.4 REQUERIMIENTOS GENERALES PARA LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y COMPONENTES NO ESTRUCTURALES. ... 43
3.5 MOVIMIENTO SÍSMICO DEL SUELO ... 44
3.5.1 Espectro de pseudo aceleraciones de diseño ... 44
3.5.2 Factor de peligro sísmico o coeficiente de aceleración (Z) ... 44
3.5.3 Comentarios a las normas americanas ... 46
3.5.4 Comentarios a la actualización de la norma peruana E.030 ... 54
3.5.5 Propuesta para las aceleraciones de diseño para la norma de aislamiento en el Perú ... 54
3.6 EFECTOS DE SITIO ... 66
3.6.1 Comentarios a la norma americana ... 68
3.6.2 Comentarios de la actualización de la norma chilena NCh2745-2003 ... 69
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iii
3.6.4 Propuesta para los coeficientes de sitio para norma de aislamiento ... 74
3.7 CLASIFICACION POR IMPORTANCIA ... 77
3.8 FACTOR DE REDUCCIÓN DE CAPACIDAD ... 77
3.9 COEFICIENTE SÍSMICO ELÁSTICO ... 77
3.10 ESPECTROS DE DISEÑO ... 77
3.10.1 Espectro de diseño de la norma chilena ... 78
3.10.2 Espectro de diseño de la norma americana ... 79
3.10.3 Comentarios al proyecto de norma E.030 del 2015 ... 80
3.11 PROPUESTA DEL ESPECTRO DE DISEÑO DE EDIFICIOS CON AISLACIÓN SISMICA 81 3.12 ANÁLISIS DE HISTORIA DE LA RESPUESTA EN EL TIEMPO ... 85
3.12.1 Comentarios al análisis de historia de la respuesta en el tiempo ... 85
3.12.2 Selección de los registros ... 85
3.12.3 Número de registros ... 86
3.12.4 Escalamiento de los registros ... 87
3.12.5 Método de ajuste al espectro objetivo “Mean Spectrum Matching" ... 88
3.13 PROCEDIMIENTOS DE ANÁLISIS ... 90
3.14 SELECCION DE LOS PROCEDIMIENTOS DE ANÁLISIS ... 90
3.15 PROCEDIMIENTO DE FUERZA LATERAL EQUIVALENTE ... 90
3.15.1 Desplazamientos laterales mínimos ... 91
3.15.2 Factores de modificación de amortiguamiento BD ó BM ... 91
3.15.3 Registros peruanos usados para estimar el factor Bd ... 94
3.15.4 Procedimiento de selección y escalamiento de los registros ... 95
3.15.5 Estimación del ajuste del factor Bd de los registros peruanos ... 98
3.15.6 Valores del coeficiente B de distintos códigos y autores ... 99
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iv 3.15.8 Proposición del factor de modificación de amortiguamiento Bd para el diseño de edificios con
aislación sísmica en el Perú ... 104
3.15.9 Fuerzas laterales mínimas ... 107
3.15.10 Límites de distorsión ... 108
3.15.11 Límite de distorsión para los edificios con aislación sísmica en Perú ... 110
3.16 PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS DINÁMICO ... 111
3.16.1 Modelamiento ... 111
3.16.2 Requisitos para elaborar el sismo de diseño ... 111
3.16.3 Procedimiento de respuesta espectral ... 112
3.16.4 Procedimiento de historia de la respuesta en el tiempo ... 112
3.16.5 Fuerzas y desplazamientos mínimos ... 112
3.16.6 Límites de distorsión ... 113
3.17 COMPARACIÓN ENTRE EL PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS ESTÁTICO Y DINÁMICO ... 113
3.18 REVISIÓN DEL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN ... 113
3.19 ENSAYOS REQUERIDOS PARA EL SISTEMA DE AISLACIÓN ... 113
3.19.1 Ensayos de los prototipos ... 114
3.19.2 Determinación de las características fuerza - deformación ... 114
3.19.3 Aprobación del sistema ... 114
3.19.4 Propiedades para el diseño del sistema de aislación ... 114
Capítulo IV DISEÑO DE UN EDIFICIO CON AISLACIÓN SÍSMICA EN EL PERÚ ... 115
4.1 DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO ANALIZADO ... 115
4.2 DISEÑO DEL SISTEMA AISLAMIENTO ... 117
4.2.1 Obtención de los parámetros dinámicos de la estructura con base fija ... 119
4.2.2 Desplazamientos de diseño según la norma chilena NCh2745 ... 119
4.2.3 Desplazamientos de diseño según la propuesta de norma para el Perú ... 120
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v
4.2.5 Cálculo de los desplazamientos de diseño del sistema de aislamiento ... 121
4.2.6 Cálculo de la rigidez requerida del sistema de aislamiento ... 121
4.2.7 Cálculo de los desplazamientos de diseño ... 122
4.2.8 Diseño del sistema de aislación ... 124
4.2.9 Verificación de la rigidez vertical del sistema de aislación ... 128
4.2.10 Verificación de distorsión máxima ... 129
4.2.11 Verificación del pandeo ... 130
4.2.12 Verificación de la estabilidad al volteo ... 131
4.2.13 Parámetros empleados en el análisis dinámico ... 132
4.2.14 Análisis dinámico de la estructura ... 133
4.2.15 Presentación y discusión de resultados obtenidos con el modelo dinámico ... 135
Capítulo V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 138
Capítulo VI REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 141
NOMENCLATURAS
SEAOC: Structural Engineering Association of California NEHRP : National Earthquake Hazard Reduction Program UBC : Uniform Building Code
USGS : United States Geological Survey BSSC : Building Seismic Safety Council
FEMA : Federal Emergency Management Agency
SDPRG : Seismic Design Procedures Reassessment Group NSF : National Science Foundation
NIST : National Institute of Standards and Technology FEMA : Federal Emergency Management Agency. CGS : California Geological Survey
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LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
A : Factor de escala general en el modelo Histerético de Wen.
BD : Factor de ajuste para obtener el desplazamiento espectral para el grado de amortiguamiento
efectivo del sistema asociado al desplazamiento de diseño.
BM : Factor de ajuste para obtener el desplazamiento espectral para el grado de amortiguamiento
efectivo del sistema asociado al desplazamiento máximo probable. B : Dimensiones del aislador cuadrado.
CR : Coeficiente numérico relacionado con la respuesta al sismo máximo posible.
Ceff : Coeficiente de amortiguamiento efectivo asociado al desplazamiento de diseño.
b : Distancia más corta de la planta de la estructura, medida perpendicularmente a d. d : Dimensión en planta más larga de la estructura, medida perpendicularmente a b.
DD : Desplazamiento de diseño, en milímetros (mm), en el centro de rigidez del sistema de
aislación en la dirección bajo consideración.
D’D : Desplazamiento de diseño, en milímetros (mm), en el centro de rigidez del sistema de
aislación en la dirección bajo consideración.
DM : Desplazamiento máximo posible, en milímetros (mm), en el centro de rigidez del sistema de
aislación en la dirección bajo consideración.
DTD : Desplazamiento total de diseño, en milímetros (mm), de un elemento del sistema de aislación
incluyendo tanto el desplazamiento traslacional en el centro de rigidez, como la componente de desplazamiento torsional en la dirección bajo consideración.
DTM : Desplazamiento total máximo, en milímetros (mm), de un elemento del sistema de aislación
incluyendo tanto el desplazamiento traslacional en el centro de rigidez como la componente de desplazamiento torsional en la dirección bajo consideración.
Eciclo : Energía disipada, en kN-mm, en un aislador durante un ciclo completo de carga reversible,
en un rango de desplazamiento de ensayo de Δ+ a Δ–, medida por el área encerrada por un ciclo de la relación constitutiva fuerza-deformación.
∑ ED : Total de energía disipada, en kN-mm, por todos los aisladores durante un ciclo completo de respuesta al desplazamiento de diseño.
∑ ED : Total de energía disipada, en kN- mm, por todos los aisladores durante un ciclo completo de respuesta al desplazamiento máximo,
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vii e : Excentricidad real, en milímetros (mm), medida en planta entre el centro de masa de la
superestructura y el centro de rigidez del sistema de aislación, más la excentricidad accidental, igual a un 5% de la dimensión máxima de la planta perpendicular a la dirección de la solicitación sísmica considerada.
E : Módulo elástico (dato de fabricación)
F- : Fuerza negativa, en kN, en un aislador, durante un ciclo de ensayo a un desplazamiento con una amplitud ∆−.
F+ : Fuerza positiva, en kN, en un aislador, durante un ciclo de ensayo a un desplazamiento con una amplitud ∆+.
g : Constante de aceleración de gravedad, (9 806 mm/s2). GS(T) : Factor de sitio.
Hp : Altura total de la goma del aislador.
I : Factor de importancia de la edificación. hi : Altura en metros sobre la base hasta el nivel.
hx : Altura en metros sobre la base hasta el nivel x;
Keff : Rigidez efectiva o secante de un aislador, en kN/mm, como indica Ecuación (11);
KDmáx : Rigidez efectiva o secante máxima del sistema de aislación, en kN/mm, al desplazamiento
de diseño en la dirección horizontal considerada.
KMmáx : Rigidez efectiva o secante máxima del sistema de aislación, en kN/mm, al desplazamiento
máximo en la dirección horizontal considerada.
KDmin : Rigidez efectiva o secante mínima del sistema de aislación, en kN/mm, al desplazamiento
de diseño en la dirección horizontal considerada.
KMmín : Rigidez efectiva o secante mínima del sistema de aislación, en kN/mm, al desplazamiento
máximo en la dirección horizontal considerada. Keff : Rigidez efectiva en el desplazamiento de diseño.
ku : Rigidez final ke : Rigidez inicial
K : Factor que varía entre 0,7 y 1,0. L : Dimensiones del aislador cuadrado. P(t) : Fuerza en cada instante de tiempo.
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viii RC : Radio de curvatura
Re, Ri : Radios exterior e interior
R : Ductilidad global del sistema
S : Factor de forma.
S0(T) : Espectro de diseño básico.
Sa(T) : Espectro de diseño del sitio.
SdD(ξ=5%): Desplazamiento espectral del sismo de diseño para 𝜉= 5%
SdM(ξ=5%): Desplazamiento espectral del máximo sismo considerado para 𝜉= 5%/
TS : Fuerza de torsión
TD : Período efectivo, en segundos, de la estructura aislada al desplazamiento de diseño en la
dirección considerada.
TM : Período efectivo, en segundos, de la estructura aislada al desplazamiento máximo en la
dirección considerada. tr : Espesor de los elastómeros
u(t) : Desplazamiento en el tiempo. ů(t) : Velocidad en el tiempo. ü(t) : Aceleración en el tiempo.
Vb : Fuerza o corte lateral total de diseño sísmico en los elementos del, o por debajo del, sistema
de aislación.
Vs : Fuerza o corte lateral total de diseño sísmico en los elementos de la superestructura W : Carga muerta sísmica total definida en la norma E.030 Para el diseño del sistema de
aislación, W es el peso de la carga muerta sísmica total de la superestructura. Wi : La parte de W ubicada o asignada al nivel i.
Wx : La parte de W ubicada o asignada al nivel x.
W* : Carga axial actuante que incluye la carga gravitacional, el efecto del movimiento vertical del suelo y el momento de volteo.
y : Distancia, en milímetros (mm), entre el centro de rigidez del sistema de aislación y el elemento de interés, medida perpendicularmente a la dirección de la solicitación sísmica considerada.
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ix Zw : En el modelo Histerético de Wen, es un parámetro histerético que satisface a la ecuación
diferencial no lineal de primer orden. Para los péndulos de fricción es la variable en el rango (-1,1) que depende de la dirección del vector de velocidad instantánea.
Z : Factor de peligro sísmico o coeficiente de aceleración.
: Razón de proporción entre la fuerza lineal y la fuerza no lineal, en el modelo Histerético de Wen.
βD : Coeficiente numérico relativo a la razón de amortiguamiento efectivo del sistema de aislación para el desplazamiento de diseño.
βM : Coeficiente numérico relativo a la razón de amortiguamiento efectivo del sistema de aislación para el desplazamiento máximo.
βef : Amortiguamiento efectivo del sistema de aislación y del aislador.
𝛽 : Incertidumbre en la capacidad de colapso.
w y : Cantidades que determinan la forma de la curva, en el modelo Histerético de Wen.
γ : Deformación angular del elastómero calculado como el cociente entre la deformación de corte y la altura de goma.
∆+ : Desplazamiento positivo máximo de un aislador durante cada ciclo de ensayo del prototipo. ∆- : Desplazamiento negativo mínimo de un aislador durante cada ciclo de ensayo del prototipo. μ : Coeficiente de fricción (función de la presión y de la velocidad).
: Exponente que regula la suavidad de la transición entre la región lineal y la no lineal, en el modelo Histerético de Wen.
μ : Fricción para la interface teflón-acero en los aisladores de fricción. σACmáx : Tensión admisible en compresión
∅ : Diámetro de los elastómeros
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1
Capítulo I : INTRODUCCION Y ANTECEDENTES
1.1 INTRODUCCIÓN
El Perú se encuentra ubicado en una zona con alta actividad sísmica debido al fenómeno de subducción de la placa de Nazca y la placa Sudamericana, lo cual ha generado sismos importantes entre los siglos XX y XXI (Fig. I-1), con altos índices de daños a las edificaciones a sus contenidos, tal como se muestra en las Figs. I-2 y I-3 (Bilek, 2009).
Para mejorar el comportamiento de las estructuras y evitar el daño a sus contenidos, se usan dispositivos de protección sísmica, tales como los sistemas de aislación sísmica. Estos dispositivos, se colocan generalmente en la base de la estructura y permiten desacoplar el movimiento del suelo, logrando de esta manera que las estructuras y sus contenidos no sufran daño. Una prueba de esto es el Hospital Militar ubicado en Chile (Fig. I-4), que es uno de los hospitales más grande en América Latina que ha sido proyectado con aislación sísmica (Fig. I-5), y tuvo un excelente desempeño estructural durante el sismo ocurrido el 27 de Febrero del 2010 (epicentro en el mar chileno, frente a las localidades de Curanipe y Cobquecura, Mw 8,8) (FOPAE, 2010).
En el Perú los sistemas de aislación sísmica se han empezado a usar con mayor frecuencia en los últimos cinco años. Así mismo, la actualización de la norma E.030 del 2015 (aún en consulta pública), establece que el sistema estructural de los centros del sector Salud del segundo y tercer nivel ubicados en las zonas 4 y 3, deberán usar sistemas de aislación sísmica. (Proyecto E.030, 2015). Por estos motivos, es importante determinar los requerimientos de diseño, que puedan ser adoptados en una norma nacional de análisis y diseño de sistemas de aislación sísmica en el Perú, que considere aspectos locales y que brinde el amparo legal y técnico.
1.2 ANTECEDENTES
Los primeros esfuerzos en la publicación de un código para el diseño de estructuras aisladas sísmicamente fueron publicados por el Structural Engineering Association of California (SEAOC) el año 1986, en el documento titulado “Tentative Seismic Isolation Design Requirements” (SEAOC, 1986). Reconociendo la necesidad de lograr un documento que represente una opinión consensuada, el comité sismológico del SEAOC desarrolló, en primer lugar, los requerimientos generales de diseño en el documento “General Requirements for the Design and Construction of Seismic Isolated Structures”, el cual fue publicado en el apéndice 1L del "Blue Book" del SEAOC (1990) (SEAOC, 1990).
Estos mismos requerimientos fueron publicados posteriormente como un apéndice no obligatorio del capítulo 23 del Uniform Building Code (UBC) en el año 1991 (ICBO, 1991).
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2 Desde entonces, el comité de sismología del SEAOC y el International Conference of Building Officials (ICBO) revisaron este documento periódicamente, publicando versiones actualizadas de estos requerimientos en el "Blue Book" del SEAOC del año 1996 (SEAOC, 1996), y en el código UBC del año 1997 (ICBO, 1997). Por otra parte, el Seismic Safety Council for Building incorporó los requerimientos para el diseño de estructuras con aislación sísmica y disipación de energía en los requerimientos del
National Earthquake Hazard Reduction Program (FEMA P-750) del año 1994. Estos requerimientos
fueron modificados en la versión del año 1997, en que los tres documentos NEHRP/UBC/SEAOC adoptaron los mismos requisitos para el diseño de edificaciones con aislamiento sísmico y disipación de energía (NCh2745-2003, 2003).
En las últimas décadas, países tales como Estados Unidos, Japón, Taiwán, China, Italia y Chile, han implementado en sus códigos de construcción de edificaciones los requisitos mínimos para el análisis y diseño de estructuras con aislación sísmica en la base (Ene y Craifaleanu, 2010; Tang, 2010). En el Perú el proyecto de norma E.030 del 2015 establece que el sistema estructural de los centros del sector Salud (públicos y privados) del segundo y tercer nivel ubicados en las zonas 4 y 3, deberán contemplar sistemas de aislación sísmica, lo cuales deberán cumplir los requisitos del proyecto de norma E.030 del 2015 y donde sea posible los requisitos de la norma ASCE/SEI 7 (Proyecto E.030, 2015).
1.3 OBJETIVOS DE LA TESIS
El objetivo general de este trabajo es adaptar a la realidad peruana los requisitos para el análisis y diseño de edificios con aislación sísmica, establecidos en las normativas extranjeras (americana, NEHRP 2009 y chilena, Nch2745 -2003). Los objetivos específicos son los siguientes:
a. Revisar los conceptos generales del análisis y diseño de sistemas de aislación sísmica.
b. Comparar los requerimientos generales para el sistema de aislación, sistema estructural y componentes no estructurales.
c. Comparar los requisitos de análisis de respuesta espectral y de historia de respuesta en el tiempo, usados para el diseño de edificios con aislamiento sísmico.
d. Comparar los procedimientos de análisis estructural estático y dinámico, con comportamiento elástico lineal.
e. Comparar los requisitos para los ensayos del sistema de aislación sísmica.
f. Desarrollar un ejemplo de aplicación para el análisis y diseño de una edificación de cinco niveles de concreto armado, con aisladores elastoméricos en la base.
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3 g. Proponer el espectro de diseño para el análisis y diseño de estructuras tipo edificio con sistemas
de aislación basal en el Perú.
h. Proponer los factores de modificación de amortiguamiento.
i. Proponer los límites de distorsión para la estructura sobre el sistema de aislamiento.
1.4 REFERENCIAS NORMATIVAS
En este trabajo se toma como referencia la norma americana NEHRP del año 2009 (FEMA P-750, 2009) y la norma chilena Nch2745 del 2003 y su actualización del 2013 (NCh2745-2003, 2003; PrNCh2745, 2013). Además, para determinar el nivel correspondiente al sísmo máximo probable usado en el diseño de edificaciones aisladas, se ha revisado la norma americana ASCE/SEI 7 - 10 (ASCE/SEI7-10, 2010) y el código internacional de aislamiento sísmico CW2012 (Feng D et al., 2012) .
1.4.1 Normas Americanas: NEHRP 2009 Y ASCE/ SEI 7 a. National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP)
El NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) es un programa que busca reducir las pérdidas de vidas y materiales que se generan durante la ocurrencia de los sismos. Este programa, cuenta con la organización descrita en la Tabla I-1 (FEMA, 2012).
Tabla I-1 - Organización del Programa NEHRP
Actividades NEHRP
Investigación Desarrollo Implementación
Ag enc ias NEH R P NIST NSF USGS FEMA
Los trabajos del NEHRP en la edición 2009, comenzaron en septiembre del 2004 cuando el National
Institute of Building, la principal organización de Building Seismic Safety Council (BSSC), firmó un
contrato con Federal Emergency Management Agency (FEMA) para iniciar la actualización de las disposiciones incorporadas en el 2009. Las disposiciones del NEHRP del año 2009 dividieron el documento en tres partes. En la Parte 1, figuran las disposiciones del año 2009 junto con las disposiciones del ASCE/SEI 7-05 y las referencias allí citadas. En la parte 2, se explica cómo aplicar los requisitos de provisiones que se articulan en ASCE/SEI 7-05 y las referencias citadas. Y en la parte 3, se introducen nuevos procedimientos o disposiciones que no figuran en las normas de referencia, para el uso experimental y su consideración en el diseño de estructuras en Estados Unidos. Las disposiciones para el diseño de sistemas de aislamiento se encuentran el capítulo 17 (FEMA P-750, 2009).
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b. American Society of Civil Engineers (ASCE/SEI 7)
Este comité fue integrado por un grupo de organismos reguladores, investigadores y profesionales expertos en ingeniería estructural. El comité ASCE / SEI 7 decidió publicar sus ediciones cada 6 años, coincidiendo con las ediciones del International Building Code (IBC). Sin embargo, se ha publicado una edición del ASCE/SEI 7 en Abril del año 2010 (ASCE/SEI7-10, 2010) la cual fue adoptada en la edición del código IBC del año 2012. Los requerimientos para el diseño sísmico de estructuras aisladas se encuentran en el capítulo 17 de la norma ASCE/SEI 7 10.
1.4.2 Norma Chilena: NCh2745-2003, Análisis y diseño de edificios con aislación sísmica – Requisitos y su actualización del año 2013.
En la elaboración de la norma Nch2745 se tomó como referencia el código UBC del año 1997, la norma cálculo de la acción del viento sobre las construcciones (NCh432.Of1971) y la norma diseño sísmico de edificios (Nch433.Of1996), además de algunos antecedentes técnicos proporcionados por el Grupo N° 5 de ACHISINA (NCh2745-2003, 2003). Siendo el antecedente más importante considerado para definir los niveles de aceleración, el sismo del 3 de Marzo de 1985, cuyo epicentro se localizó en la costa central de la Región de Valparaíso, cercana a la localidad de Laguna Verde, a unos cuantos kilómetros al sur de Valparaíso, y tuvo una magnitud de 8.0 Mw (Aguilar, 2011).
A consecuencia del sismo de Chile del 27 de febrero del 2010 que ocurrió en la zona central de Chile (epicentro se ubicó en el mar frente a las localidades de Curanipe y Cobquecura aproximadamente a 150 kilómetros al noroeste de Concepción y a una profundidad de 47 kilómetros) (FOPAE, 2010), se empezó a trabajar en la actualización de la norma (NCh2745-2003, 2003) la cual fue publicada oficialmente en Octubre de 2013. La actualización de esta norma tuvo por objetivo identificar y corregir los aspectos técnicos que dificultaban su aplicación, recoger la experiencia de los ingenieros civiles estructurales que la aplicaron, y compatibilizar sus requisitos con los de las normativas de diseño sísmico desarrolladas con posterioridad a dicho terremoto.
1.4.3 Propuesta para el código internacional de aislamiento sísmico (CW2012)
Con la finalidad de crear un procedimiento de análisis y diseño de edificios aislados sísmicamente que sea común en todo el mundo, fue que el año 2006 comisiones del International Council for Research
and Innovation in Building and Construction (CIB), del Earthquake Engineering and Buildings (W114),
y del Japan Society of Seismic Isolation (JSSI), propusieron el " International Project on
Performance-based Design of Seismically Isolated Buildings" conocido como CW2012. Esta propuesta recoge
información sobre los códigos de diseño de edificios aislados sísmicamente de Japón del 2000, China del 2010, Estados Unidos 2009, Italia del 2008 y Taiwán del 2011.
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1.4.4 Proyecto de actualización de la norma peruana E.030 diseño sismorresitente
El 20 de enero de 2014 se publicó en el diario oficial El Peruano el proyecto de actualización de la norma E.030 Diseño Sismorresistente para su discusión pública (Proyecto E.030, 2015). Este proyecto ha sido revisado durante el año 2014 y en el año 2015 ha sido nuevamente publicado.
Este proyecto propone cambios en aspectos tales como: zonificación sísmica, clasificación de suelos, espectro de diseño, clasificación de edificaciones, irregularidades en planta y elevación, distribución de altura, elementos no estructurales, e instrumentación sísmica. Así mismo, se establece una nueva categoría A1, para los tipos de edificaciones que comprende a los establecimientos de salud del Sector Salud (públicos y privados) del segundo y tercer nivel (según las categorías del Ministerio de Salud). El sistema estructural para las edificaciones de la categoría A1 ubicadas en las zonas 4 y 3 contempla sistemas de aislación sísmica, diseñados considerando las disposiciones del proyecto de norma E.030 del 2015 (mínima fuerza cortante en la base, distorsión de entrepiso máxima permisible), y en la medida que sean aplicables los requisitos de la norma ASCE/SEI 7-10 (Proyecto E.030, 2015).
1.5 ALCANCES Y METAS
Con el desarrollo de este trabajo se busca identificar y adaptar a la realidad peruana los requisitos de análisis y diseño de sistemas de aislamiento sísmico, establecidos en la norma americana (FEMA P-750, 2009) y la norma chilena (NCh2745-2003, 2003). De tal manera, de sentar las bases para el desarrollo de una norma nacional de estos sistemas en el Perú.
Como metas se plantea proponer las siguientes:
a. Proponer las aceleraciones de diseño para el sismo máximo probable considerando en forma aproximada los efectos de la máxima dirección espectral,
b. Estimar los factores de modificación del amortiguamiento de desplazamientos para el territorio peruano
c. Identificar las señales sísmicas más adecuadas para su uso en el análisis tiempo historia d. Proponer los límites de distorsión para las estructuras sobre el nivel del sistema de aislamiento e. Proponer todos los requisitos de diseño que pueden ser adoptados en el diseño de sistemas de
aislamiento sísmico en Perú.
f. Mostrar la aplicación de todos los requisitos propuestos, mediante el diseño del sistema de aislamiento de una edificación esencial de cinco niveles de concreto armado, que se encuentra ubicada en suelo firme de la ciudad de Lima.
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Sismicidad en Sudamérica Ubicación Fecha Magnitud Pérdidas
Los triángulos de color azul muestran la localización del evento junto con la identificación del año y la magnitud sísmica. Los triángulos de color rojo muestran el lugar donde de ubicación de los tsunamis. También se observan los mecanismos focales para los sismos de magnitud moderada marcados con círculo de color blanco y negro. Ecuador Colombia 1906/01/31 Mw 8,8 M: 1000–1500 Valparaíso Chile 1906/08/16 M 8,6 M: 3000 Chile Argentina 1922/10/10 M 8,4 M: 1500 H: 2000 Talca Chile 1928/12/01 M 7,6 M: 279 H: 1083 Lima Perú 1940/05/24 Mw 7,8 M: 1000 Guayaquil Ecuador 1942/05/14 M 7,9 M: 100 H: 200 Nazca Perú 1942/08/24 Mw 8,1 M: 33 y la destrucción de Nazca Ovalle Chile 1943/04/06 M 8,3 M: 12 H: 49 heridos Chile 1960/05/24 Mw 9,5 M: 1655–2000 D: 2 millones Lima Perú 1974/10/03 Mw 8,0 M: 252 H: 3,600 Valparaíso Chile 1985/03/03 Mw 8,0 M: 178 H: 2575 Antofagasta Chile 1995/07/30 Mw 8,1 M: 3 Oeste de Perú 1996/02/21 Mw 7,5 M: 57 H: 200 D: 22,000 Nazca-Perú 1996/11/12 Mw 7,7 M: 20 H: 2,000 D: 100,000 Sur de Perú 2001/06/23 Mw 8,4 M: 310 H: 2,400 D: 460,000 Sur de Perú (Réplica) 2011/07/07 Mw 7,5 M: 3 Pisco e Ica Perú 2007/08/15 Mw 8,0 M: 596 H: 2,000 D: 340,000 Tocopilla-Chile 2007/11/14 Mw 7,7 M: 2 H: 95 D: 1000 Mar de Chile 2010/02/27 Mw 8,8 M: 550
M:muertos, H: heridos, D: Damnificados
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7 Figura I-2 Daños severos en muros tipo draywall. San Pedro de la Paz en Concepción - Chile.
(FOPAE, 2010)
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8 Figura I-4 Hospital militar La Reina en Santiago de Chile, que no tuvo daños en el sismo de Chile de
Febrero del 2010. (Alvarez, 2010)
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Capítulo II : CONCEPTOS GENERALES
2.1 CONCEPTOS SOBRE LOS SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA
En este capítulo revisan los conceptos generales para el uso, análisis y diseño de sistemas de aislamiento sísmico de edificaciones, describiéndose brevemente los principios fundamentales, los objetivos y la factibilidad e impacto del uso de estos sistemas. Además, se presentan las características principales y la secuencia de diseño de los aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento (HDR), con núcleo de plomo (LRB) y péndulos de fricción (FP), que son los aisladores sísmicos más empleados en la actualidad.
2.2 EL DISEÑO CONVENCIONAL Y LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN SÍSMICA
Para lograr un desempeño sismo resistente aceptable de las estructuras, las normas de diseño sísmico se han enfocado en limitar las distorsiones de entrepisos y adoptar un nivel de ductilidad o capacidad estructural para disipar energía, mediante la incursión de la estructura en el rango no lineal. Este concepto de diseño se denomina “tradicional” y tiene una gran desventaja, ya que solo controla los daños relacionados a las distorsiones de entrepiso (Fig. II-1), pero no considera los daños provenientes de altos niveles de aceleraciones, que son la causa principal del alto índice de daño de los componentes no estructurales (Fig. II-2) (Mayes y Naeim, 2000).
Para resolver el problema del análisis y diseño tradicional, se han desarrollado en las últimas décadas los sistemas de protección sísmica, entre los que destacan los aisladores sísmicos, los cuales tienen por objetivo controlar el daño estructural de las edificaciones, mediante el control de distorsiones y aceleraciones en cada nivel.
Rotura de vidrios y columnas de fachada Rotura de tuberías
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Colapso de elementos suspendidos en el hospital Olive - San Fernando Valley, 1971 (SEAONC, 2004)
Colapso del cielo raso en el aeropuerto de Santiago de Chile - Chile, 2010 (FOPAE, 2010)
Figura II-2 Daños generados por altas aceleraciones de piso
2.3 OBJETIVOS DEL EMPLEO DE SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA
Con los sistemas de aislación sísmica se busca desacoplar el movimiento de la estructura de los movimientos del suelo interponiendo dispositivos estructurales (aisladores) con poca rigidez horizontal, generalmente ubicados entre la estructura y su cimentación o a nivel del cielo del primer subterráneo. Estos sistemas permiten modificar la respuesta dinámica de las estructuras mejorando su desempeño estructural y alcanzando satisfactoriamente los siguientes objetivos (Mayes y Naeim, 2000):
i. Incrementar la seguridad de las edificaciones y su operatividad después de la ocurrencia de un evento sísmico (se alcanza el nivel de desempeño de ocupación inmediata).
ii. Reducir el daño por deformaciones elevadas en componentes estructurales y no estructurales. iii. Reducir las aceleraciones de entrepiso para minimizar los daños relacionados con los contenidos. iv. Reducir las fuerzas sísmicas laterales de diseño.
v. Incrementar formas alternativas de construcción con limitada capacidad de ductilidad (como el concreto pre esforzado) en regiones de alto peligro sísmico.
vi. Mejorar el comportamiento estructural de edificaciones antiguas debido a solicitaciones sísmicas.
2.4 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA AISLACIÓN SÍSMICA
Los sistemas de aislación sísmica permiten modificar la respuesta dinámica de la estructura aumentando su periodo fundamental de vibración respecto al período de vibración que tendría en la condición de base fija. De esta manera, al introducir alta flexibilidad (o poca rigidez) horizontal se aumenta el período fundamental de vibración de la estructura alejándola de la zona de mayor demanda de energía sísmica (zona de periodos cortos en el espectro de diseño), lo cual resulta eficiente en estructuras rígidas apoyadas sobre terrenos firmes (Fig. II-3).
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11 También es importante considerar que con el incremento del periodo fundamental de vibración se incrementa el desplazamiento lateral espectral (tiende a ser igual del desplazamiento lateral del suelo), el cual es absorbido por los dispositivos de aislación sísmica (Fig. II-4). Estos dispositivos también permiten minimizar los desplazamientos laterales relativos de entrepiso (drifts) y sus respectivas aceleraciones, logrando que se transmitan esfuerzos cortantes a niveles moderados o bajos a la superestructura (estructura que se encuentra apoyada sobre el sistema de aislación sísmica). Generalmente, esta superestructura adquiere un movimiento similar al de un bloque rígido, sin experimentar deformación importante o daño durante la acción del sismo. La Fig. II-5 muestra el diagrama de flujo de operación de los aisladores sísmicos.
Figura II-3 Espectro de aceleraciones (Componente N-S/ Sismo del 2007 – Perú)
Figura II-4 Aumento del Espectro de desplazamientos (Componente N-S/ Sismo del 2007 – Perú)
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Ac el eraci ón es pec tral [g]
Periodo estructural [seg]
Amortiguamiento 5% Amortiguamiento 10% Amortiguamiento 15% 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 D es pl az ami ento es pec tral -S d
Periodo estructural [seg]
Amortiguamiento 5% Amortiguamiento 10% Amortiguamiento 15% Sin aislamiento Con aislamiento Sin aislamiento Con aislamiento
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12 Sistema de control pasivo de
aislamiento sísmico
Solicitación sísmica Estructura Respuesta
Figura II-5 Diagrama de flujo de funcionamiento del aislamiento sísmico
2.5 CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA
Estos sistemas presentan las siguientes características fundamentales:
i. Flexibilidad horizontal: alargamiento del período fundamental de vibración de la estructura lo suficiente para reducir la aceleración espectral de diseño.
ii. Amortiguamiento y disipación de la energía: reduciendo la demanda de deformación lateral entre la estructura y el suelo base para que pueda ser controlada a niveles prácticos de diseño.
iii. Rigidez lateral adecuada bajo cargas de servicio: tales como viento y sismos menores, evitando vibraciones parásitas molestas.
iv. Gran rigidez vertical, en orden similar a las columnas de construcción convencionales, para resistir las cargas de diseño.
2.6 FACTIBILIDAD E IMPACTO DEL USO DE SISTEMAS DE AISLACIÓN SÍSMICA
Las características de las estructuras donde la incorporación de los sistemas de aislación sísmica resulta efectiva, son las siguientes:
i. Estructuras ubicadas en suelos con periodos de vibración predominantes bajos (suelos firmes). ii. Estructuras de pocos niveles (rígidas).
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13 iv. Estructuras que soportan fuerzas de viento u otras cargas que no sean de naturaleza sísmica que
resulten menores al 10% del peso total de la estructura, calculado como la suma del total de la carga muerta más un porcentaje de carga viva.
v. Estructuras con relaciones de esbeltez Altura/Ancho mínimo ≤ 1,5.
Aunque cada proyecto debe ser evaluado individualmente en su etapa inicial, existen diferencias sustanciales en el uso de sistemas de aislación sísmica para edificaciones nuevas y aquellas estructuras existentes que serán reforzadas. A continuación se realiza una breve descripción de las principales consideraciones para el uso del sistema de aislación sísmica en función al tipo de estructura a implementar.
2.6.1 Estructuras nuevas
a. Evaluación de la propia estructura
La primera consideración en la evaluación de conveniencia del uso del sistema de aislación sísmica en un nuevo proyecto es la estructura misma. La aislación sísmica logra reducir la fuerza sísmica mediante el incremento del periodo fundamental de vibración de la estructura, siendo más efectivo cuando las estructuras son rígidas (periodos naturales de vibración menores a 1 segundo).
El periodo natural de vibración de una estructura generalmente se incrementa con la altura del edificio, por lo que, los edificios altos alcanzan periodos altos y soportan fuerzas laterales reducidas, sin el uso de aislación sísmica. Por lo tanto, la aislación sísmica es aplicable en edificios de baja y mediana altura (8 a 10 niveles ó 35 m dependiendo del sistema estructural), llegando a ser menos efectivos en edificios altos. Sin embargo, existen excepciones como por ejemplo el aislamiento usado en el reforzamiento del edificio del gobierno de los Ángeles de 28 niveles (Simin, 2006).
Las estructuras con sistemas de aislación sísmica también deben soportar otras cargas laterales tales como el viento, sin llegar a la fluencia de los dispositivos, evitando que se logren alcanzar desplazamientos laterales y vibraciones molestas bajo la acción de cargas de servicio. Por este motivo, se recomienda que si las fuerzas laterales superan el 10% del peso del edificio (calculado como la suma de la carga muerta más un porcentaje de la carga viva), no es recomendable emplear sistemas de aislación sísmica (Mayes y Naeim, 2000).
b. Condiciones de suelo
La segunda consideración a ser evaluada para el uso de sistemas de aislación sísmica, son los efectos que generan las condiciones geológicas de sitio. Generalmente, los suelos firmes o rígidos son más efectivos para el uso de este tipo de sistemas.
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14 La flexibilidad de una estructura es un parámetro que permite intuir la forma en que responderá ante la acción sísmica, sin embargo, la forma como el movimiento sísmico llega a la base de la estructura depende de las propiedades del suelo a través del cual las ondas sísmicas viajan y se propagan. Los suelos flexibles tienen baja frecuencia propia y amplifican las bajas frecuencias de movimiento del suelo y los sistemas de aislamiento sísmico incrementar el periodo fundamental de la estructura (baja frecuencia). De esta manera, si la frecuencia de la estructura y frecuencia predominante del suelo son del mismo orden, la energía se amplifica pudiendo generar mayor daño en la estructura (Benito y Cabañas, 1999). Por lo tanto, en suelos flexibles los sistemas de aislamiento en la base deben ser usados con especial cuidado.
La ciudad de México es un buen ejemplo de una región con condición de suelo flexible, el periodo de vibración fundamental del suelo de México tiende a ser aproximadamente 2 segundos (Mayes y Naeim, 2000; Symans, 2004). La Fig. II-6 muestra los efectos de las condiciones de sitio en la respuesta estructural para los sismos de México de 1985 (suelo flexible) y Perú de 1966 (suelo firme). Es claro que para suelos flexibles las máximas aceleraciones se producen en la zona de periodos altos. Adicionalmente, se deberá tomar en cuenta las zonas cercanas a fallas (considerada entre 15 a 20 Km de una falla de ruptura), ya que en estas zonas los movimientos del suelo generan pulsos largos de velocidades, altas amplitudes y desplazamientos laterales importantes. Por lo tanto, los sistemas de aislación sísmica deberán ser capaces de soportar grandes deformaciones y disipar cantidades importantes de energía en pocos ciclos y tiempos cortos (Tornello et al., 2008).
Figura II-6 Espectros de respuesta estructural en suelo firme y flexible
0 100 200 300 400 500 600 700 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Ace leración e spe ctral [cm /se g] Periodo [seg]
Sismo en Perú (1966) / Suelo firme - Amort. 5% Sismo en Mexico (1986) / Suelo flexible - Amort. 5%
Sismo en Perú (1966) / Suelo firme - Amort. 10% Sismo en Mexico (1986) / Suelo flexible - Amort. 10%
Sismo en Perú (1966) / Suelo firme - Amort. 15% Sismo en Mexico (1986) / Suelo flexible - Amort. 15%
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c. Restricciones impuestas
Una tercera consideración en la evaluación de la factibilidad del uso de sistemas de aislación sísmica son las restricciones impuestas por las estructuras adyacentes. Los sistemas de aislación sísmica permiten aumentar los desplazamientos que varían entre 20 y 50 cm y son tomados por los dispositivos. Esto conduce a que si el sitio está limitado por edificios vecinos en el límite de propiedad, puede que no sea posible dar cabida a estos desplazamientos laterales significativos (Mayes y Naeim, 2000).
2.6.2 Reforzamiento de estructuras existentes
El reforzamiento de edificaciones existentes para mejorar su desempeño estructural, implica consideraciones adicionales respecto a las estructuras nuevas, debido a las restricciones existentes. Algunas estructuras son más adecuadas para ser rehabilitadas con la incorporación del sistema de aislación sísmica que otras. Por ejemplo, las superestructuras de puentes soportadas por rodamientos de acero, los cuales pueden ser sustituidos con sistemas de aislación sísmica mediante una operación muy simple, de bajo costo que dará lugar a una reducción de las fuerzas sísmicas de diseño.
Los edificios son a menudo más difíciles de rehabilitar que los puentes. Sin embargo, la aislación sísmica puede ser una solución eficaz sin la adición de nuevos elementos estructurales que desvirtúen las características originales del edificio que amerite preservar. Aunque el sistema de aislación sísmica reduce las fuerzas laterales, obviamente no las elimina. En consecuencia, la resistencia y la ductilidad de una estructura existente deberán ser adecuadas para resistir las fuerzas laterales reducidas que resultan del sistema aislado. Si la resistencia de la estructura existente es extremadamente baja (menor al 5% del peso del edificio), se deberán tomar en cuenta las siguientes consideraciones:
¿Existe un espacio lateral de 15 a 75 cm con los edificios adyacentes para permitir el movimiento libre del edificio?
¿El edificio y su cimentación tienen la resistencia y ductilidad suficiente, para resistir las fuerzas de corte y las aceleraciones que nos son absorbidas por los sistemas de aislamiento?
¿Cuál es la ubicación adecuada para colocar el sistema de aislación sísmica, las cimentaciones, el sótano, la planta baja, etc.
Entre las ventajas y desventajas del plano de ubicación del sistema de aislación sísmica se tiene:
En cualquier estructura con sub sótano o sótano que puede ser descontinuado verticalmente, resulta factible el empleo de sistema de aislación sísmica.
Una estructura con cimentación aislada se puede adaptar con mayor facilidad a los sistemas de aislación sísmica que otro con zapatas corridas.
Si se disponen de zonas de aislamiento en la parte superior, inferior o a media altura de las columnas, entonces se requiere evaluar con mayor detalle su capacidad resistente.
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16 En resumen, la rehabilitación sísmica de una estructura existente usando aisladores, permite realizar los trabajos de reforzamiento en las zonas donde se instalarán los dispositivos, sin interrumpir la operatividad y el funcionamiento de sus instalaciones. Un claro ejemplo exitoso de esto fue la rehabilitación del edificio gubernamental de San Francisco en Estados Unidos (Fig. II-7).
o Cúpula de 91 m de diámetro. o Aisladores por columna. o La planta baja es “blanda”. o 530 aisladores de goma y plomo. Figura II-7 Reforzamiento del edificio gubernamental San Francisco (Simin, 2006)
2.6.3 Verificaciones de estabilidad al levantamiento y volteo
En muchos sistemas estructurales el incremento de fuerzas laterales superan las cargas de gravedad provocando momentos de volteo y tensiones en los elementos estructurales de la cimentación. En el diseño convencional estas tensiones son resistidas por las conexiones en la cimentación, aunque sólo si se producen bajo los niveles de cargas laterales especificadas en los códigos de diseño. Sin embargo, en sismos severos se producen momentos de volteo mucho mayores a los valores de diseño generándose tensiones, incluso cuando no se indican en el código de diseño.
En este caso, se supone que los detalles y ductilidad de la estructura son suficientes para evitar fallas debidas al levantamiento de la estructura. Aunque, algunos estudios indican que el levantamiento de la cimentación puede beneficiar la reducción de las fuerzas sísmicas en estructuras convencionales. Sin embargo, para una estructura con aisladores elastoméricos, los efectos de levantamiento deben ser examinados con mucho cuidado, ya que estos sistemas no son adecuados para resistir grandes cargas de tensión (Fig. II-8). Consecuentemente, es común que para evitar el levantamiento de los aisladores elastoméricos se empleen conexiones totalmente empernadas las cuales resisten tensiones de 250 a 300 psi antes de ocurrir un ablandamiento significativo de los dispositivos (Mayes y Naeim, 2000).
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17 Donde exista la posibilidad del levantamiento de la estructura aislada, se debe realizar un análisis detallado para cuantificar los desplazamientos verticales para el diseño de la conexión, lo que implica un análisis no lineal con el máximo realismo de los registros sísmicos además de un considerable esfuerzo analítico. Para evitar esto, una estrategia razonable es evitar o reducir al mínimo la elevación o levantamiento de la estructura, lo cual puede ser logrado mediante una configuración cuidadosa del sistema de aislamiento. Otra alternativa es utilizar las conexiones "perno-suelto", que permite cierta cantidad de elevación del aislador sin someterlo a tensiones. Estas conexiones han sido implementadas exitosamente en varios edificios importantes en el sur de California, como el reforzamiento sísmico del edificio gubernamental de los Ángeles y el nuevo hospital de Saint John (Mayes y Naeim, 2000).
Figura II-8 Rotura de aisladores elastoméricos por tensión (Taiki, 2007)
2.7 TIPOS DE AISLADORES SÍSMICOS
Existen diversos tipos de aisladores sísmicos, cada uno con características propias en cuanto a sus mecanismos de acción, materiales, costos de implementación, estudios teóricos y tipos de estructuras en donde es más conveniente su uso. Entre los aisladores sísmicos más desarrollados se encuentran los aisladores elastoméricos, los aisladores deslizantes y los aisladores basados en resortes helicoidales y amortiguadores viscosos. A continuación se detallan brevemente las características generales de estos sistemas de aislación sísmica.
2.7.1 Aisladores elastoméricos
Estos dispositivos están conformados por un conjunto de láminas planas de elastómeros intercaladas con capas de acero vulcanizadas entre sí. Las láminas de elastómeros proporcionan la flexibilidad lateral necesaria para permitir el desplazamiento horizontal relativo entre la estructura y el suelo, mientras que las láminas de acero proporcionan la rigidez vertical del sistema del sistema de aislación. Estos aisladores dependen de la amplitud de la deformación a la que son sometidos, y en menor grado a la temperatura, el envejecimiento y la frecuencia del movimiento. Entre estos dispositivos tenemos:
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a. Aisladores elastoméricos de bajo amortiguamiento - Low Damping Rubber Bearing (LDRB).
Este tipo de dispositivos son los más simples dentro de los aisladores elastoméricos y consisten en un conjunto intercalado de capas de acero y caucho, el cual es vulcanizado para lograr la adherencia entre ambos materiales. Al intercalar el caucho con el acero se aumenta su capacidad para resistir cargas de gravedad y su estabilidad para soportar cargas laterales. En estos dispositivos, también se colocan placas de acero en la zona superior e inferior que sirven para confinar el núcleo y evitar la compresión del caucho ante cargas de gravedad.
Características:
Pueden ser de goma natural o sintética.
Su comportamiento es lineal–elástico a bajas deformaciones y lineal-viscoso a altas deformaciones.
Tienen una razón de amortiguamiento crítico menor a 7% para valores de deformaciones angulares menores a 200%.
Ventajas:
Son simples de fabricar.
Son fáciles de modelar (modelo lineal).
No tienen una respuesta muy sensible a las variaciones de carga en el tiempo, la temperatura o el envejecimiento.
Desventajas:
Necesitan sistemas de amortiguamiento suplementario.
b. Aisladores elastoméricos de Alto amortiguamiento - High Damping Rubber Bearing (HDRB)
Una característica importante de estos aisladores es que sus propiedades dinámicas son sensibles a los cambio de frecuencia y temperatura que generan reducción de rigidez y amortiguamiento. Por ejemplo, cuando los dispositivos están sujetos a ciclos de movimiento, presentan mayor rigidez para los primeros ciclos de carga, que generalmente se estabilizan luego del tercer ciclo de carga. Por lo tanto, su comportamiento inicial puede ser apreciablemente diferente bajo distintos ciclos de carga y deformación, siendo sus propiedades iniciales recuperables en el tiempo (horas o días). La Fig. II-9 muestra un corte de un aislador elastomérico de alto amortiguamiento
Características:
Alcanzan grandes deformaciones de corte () de 2 a 3.5.
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Su razón de amortiguamiento crítico es de 10 a 20% para una deformación de corte igual a 100%.
Su módulo de elasticidad de corte varía de 17 a 64 Kg/cm².
El amortiguamiento efectivo depende de los elastómeros, de la presión de contacto, la velocidad de carga y de los incrementos de temperatura ambiente.
Ventajas:
Combinan la flexibilidad y disipación de energía en un solo elemento
Su fabricación es relativamente sencillo
Desventajas:
A elevadas temperaturas su rigidez horizontal y su amortiguamiento decrecen.
Con el incremento de la carga axial su rigidez horizontal tiende a disminuir.
Las propiedades mecánicas del caucho natural se pueden degradar con la exposición prolongada al oxígeno y al ozono.
a) Corte del aislador (Sismica, 2015) b) Partes del aislador (BRIDGESTONE, 2013)
Figura II-9 Corte de un aislador de alto amortiguamiento - High Damping Rubber Bearing (HDRB)
2.7.2 Aisladores elastoméricos con núcleo de plomo – Lead Rubber Bearing (LRB)
Estos aisladores son similares a los LDRB pero incluyen unnúcleo de plomo ubicado en el centro del aislador, que permite aumentar su rigidez inicial (proporciona restricción a la carga del viento) y aumenta la capacidad de disipación de energía mediante el incremento del nivel de amortiguamiento del sistema entre 25 y 30%. Al deformarse lateralmente el aislador durante la acción de un sismo, el núcleo de plomo fluye incurriendo en deformaciones plásticas, y disipando energía en forma de calor. Al término de la acción sísmica, la goma del aislador retorna la estructura a su posición original, mientras que el núcleo de plomo se recristaliza quedando en condiciones similar al original para soportar un nuevo evento sísmico. La Fig. II-10 muestra el corte y las partes de un aislador con núcleo de plomo.
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Características:
Su módulo de elasticidad de corte varía de 5 a 7 Kg/cm² para una deformación de corte del 100%.
La variación de sus propiedades no son significativas como ocurre con los aisladores tipo HDRB, debido a que la máxima deformación de corte no es mayor a 200% (varía de 125% a 200%).
La respuesta histerética es fuertemente dependiente del desplazamiento lateral.
Tienen una alta rigidez inicial, debido a que el esfuerzo de fluencia del plomo alcanza valores que varían alrededor de 105 Kg/cm².
El esfuerzo de fluencia se reduce con ciclos repetidos debido al aumento de temperatura.
Típicamente el núcleo de plomo abarca del 15 al 33% del diámetro total del aislador.
Ventajas:
El plomo es un material que tiene alta rigidez horizontal antes de alcanzar su fluencia y presenta un comportamiento perfectamente plástico después de su fluencia.
El plomo es un material en el cual se producen los procesos de recuperación y re cristalización ocurren simultáneamente a temperatura ambiente, por lo que puede recuperar sus propiedades mecánicas después de una acción inelástica.
Las propiedades mecánicas del núcleo de plomo no presentan cambios significativos durante el periodo de vida útil de las estructuras (50años).
Desventajas:
Los incrementos de temperatura ambientales pueden afectar su rigidez horizontal.
Con el incremento de la carga axial su rigidez horizontal tiende a disminuir.
Las propiedades del aislador LRB dependen de la historia de carga. Con el incremento de ciclos la rigidez del núcleo de plomo y el amortiguamiento decrecen
a) Corte del aislador (Sismica, 2015) b) Partes del aislador (BRIDGESTONE, 2013)
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2.7.3 Aisladores de fricción o deslizadores friccionales
Estos aisladores utilizan una superficie de deslizamiento, generalmente de acero inoxidable, sobre la que desliza una placa de acero revestida de Politetra Fluoro Etileno (PTFE), siendo el más usado el “Teflón”. La superficie de deslizamiento permite el movimiento horizontal de la estructura de manera independiente al suelo, logrando disipar energía por medio de las fuerzas de rozamiento que se generan durante la acción del sismo. El coeficiente de fricción del aislador depende de la temperatura de trabajo, la presión de contacto, la velocidad de movimiento, el estado de las superficies de contacto (limpieza, rugosidad, etc.), y el envejecimiento. Estos sistemas requieren mayor mantenimiento y cuidado, ya que cualquier modificación en las superficies deslizantes puede resultar en un coeficiente de fricción distinto al valor adoptado en el diseño. Entre estos dispositivos se tiene:
a. Apoyos deslizantes planos o deslizadores friccionales - Sliding Bearing
Estos dispositivos son componentes mecánicamente más simples que los aisladores y proveen únicamente la propiedad de aislamiento de la estructura, debido a que no poseen la capacidad de retornar a su posición inicial de forma independiente. Por este motivo, se usan conjuntamente con otros tipos de aisladores. Consisten básicamente en dos superficies, una adherida a la estructura y la otra a la cimentación, que poseen un bajo coeficiente de fricción, permitiendo los movimientos horizontales de la estructura (Fig. II-11). Poseen, generalmente, una capa de un material elastomérico con el fin de facilitar el movimiento del deslizador en caso de sismos (Nitche, 2011; Symans, 2004).
Características
Estos aisladores no incrementan el periodo natural de vibración de la estructura, solamente limitan las fuerzas de corte transferidos dentro de la estructura.
Ventajas:
Los deslizadores poseen un costo de fabricación menor a un aislador.
Pueden ser modelados con un modelo simple elasto–plástico.
Desventajas:
Requieren de mecanismos suplementarios de auto centrado para prevenir desplazamientos laterales permanentes del sistema de aislamiento.
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a) Isometría del deslizador (Sismica, 2015) b) Partes del deslizador (BRIDGESTONE, 2013)
Figura II-11 Apoyos deslizantes planos o deslizadores friccionales - Sliding Bearing
b. Péndulos de fricción - Friction Pendulum System (FPS)
Los péndulos friccionales cuentan con un deslizador articulado ubicado sobre una superficie cóncava que permite que la estructura regrese a su posición inicial debido a la geometría de la superficie y a la fuerza inducida por la gravedad. La superficie de deslizamiento es revestida con Politetra Fluoro Etileno (PTFE), que es un material plástico que puede contar con relleno de varios materiales como vidrio, carbón, bronce y grafito. Los péndulos friccionales pueden ser de simple curvatura cóncava - Frictional
pendulum, FP (Fig. II-12) con una superficie de deslizamiento cóncavo, doble curvatura cóncava - Double Friction Pendulum, DFP (Fig. II-13) y el denominado triple péndulo - Triple Friction Pendulum,
TFP (Fig. II-14) que incorpora tres péndulos en un solo apoyo, cada uno con propiedades seleccionadas para optimizar la respuesta de la estructura a diferentes fuerzas sísmicas y frecuencias de vibración. El péndulo simple mantiene la fricción constante, la rigidez lateral, y el periodo de vibración constante para todos los niveles de movimientos sísmicos y desplazamientos laterales. En los aisladores tipo DFP y TFP, los mecanismos de péndulo se activan secuencialmente a medida que los movimientos sísmicos son mayores, siendo el principal beneficio su capacidad para acomodarse a grandes desplazamientos laterales comparado con el tipo FP con la misma curvatura. Los eventos sísmicos que poseen bajos niveles de desplazamientos y altas frecuencias de vibración son absorbidos por el péndulo interno de baja fricción y de periodo de vibración corto. Para los sismos más severos empleados para en Niveles de Diseño, tanto la fricción como el periodo de vibración aumentan, lo que resulta en menores desplazamientos laterales del apoyo y menor fuerza cortante basal en la estructura. Para los eventos sísmicos Máximos Creíbles, tanto la fricción del apoyo como la rigidez lateral aumentan, reduciendo el desplazamiento lateral del apoyo (Morgan y Mahin, 2011).
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a) Péndulo de fricción (Michael, 2004) b) Sección del péndulo de fricción
Figura II-12 Aislador Péndulo de fricción - Friction Pendulum (FP)
a) Doble péndulo de fricción b) Sección del doble péndulo de fricción
Figura II-13 Doble péndulo de fricción-Double Concave Friction Pendulum (DCFP) (Michael, 2004)
a) Triple péndulo de fricción b) Sección del triple péndulo de fricción
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2.7.4 Aisladores basados en resortes helicoidales y amortiguamiento viscosos
Los aisladores sísmicos formados por un paquete de resortes helicoidales conectados en paralelo con amortiguadores viscosos - Base Control System (BCS) (Fig.II-15a), son actualmente una alternativa técnica válida dentro del incipiente mercado dominado casi exclusivamente por la opinión general sobre la efectividad de los aisladores compuestos por capas superpuestas de goma y metal. El sistema se destaca por su sencillez conceptual, ya que el medio flexible es lineal elástico, mientras que el amortiguamiento es puramente viscoso (Fig. II-15b).
En general los sistemas de aislación más utilizados a nivel mundial, elastoméricos o friccionales, poseen una importante rigidez vertical lo que no permite desacoplar eficientemente al edificio de la componente del movimiento del suelo en esa dirección. Movimientos del suelo con características de falla cercana (presencia de pulsos importantes de velocidad y desplazamiento) presentan, en muchos casos, valores de aceleraciones verticales importantes comparados con las horizontales, por lo tanto, los dispositivos de aislamiento con rigideces verticales elevadas comparadas con las horizontales no son efectivos para desacoplar a la superestructura de la componente vertical del sismo (Falconi R. A y Tornello M. E, 2009; Stuardi et al., 2007).
Los aisladores helicoidales están compuestos por cajas de resortes (Fig. II-16) y amortiguadores viscosos (Fig. II-17) provistos en forma separada. Las cajas de resortes están formadas por carcasas metálicas que alojan y confinan adecuadamente una cantidad variable de resortes, dispuestos en forma matricial. Poseen placas auxiliares permiten su fijación a los elementos estructurales tales como las vigas del edificio. Para aumentar el amortiguamiento del sistema de aislación, estos dispositivos son instalados junto con amortiguadores viscoelástico. Tales amortiguadores están formados por una carcasa inferior que es un recipiente cilíndrico relleno de una masa viscosa, y una carcasa superior que contiene un pistón que se mueve dentro de la masa. Ambas carcasas se vinculan mediante un manguito de protección, para evitar la contaminación del amortiguador con polvo, o elementos extraños. La masa viscosa es un producto de formulación química especial, de manera que sus propiedades se mantienen prácticamente constantes con el paso del tiempo y con la temperatura. El amortiguador genera una fuerza viscosa, esto es, dependiente de la velocidad a través de una constante de amortiguamiento en las tres direcciones ortogonales del movimiento. La constante del amortiguador es una función de sus dimensiones, detalles de construcción internos, tipo de fluido y su viscosidad.
La frecuencia natural de vibración horizontal típica del sistema está comprendida entre 1 a 1,5 Hz, mientras que la frecuencia natural de vibración vertical está comprendida entre 3 y 3,5 Hz. La razón de amortiguamiento crítico modal puede ser materializada por medio de los amortiguadores viscosos sin limitaciones técnicas, sus valores típicos no superan normalmente el 30% (Stuardi, 2008).
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a) Caja de resortes helicoidales y caja de amortiguamiento viscoso
b) Idealización estructural de los resortes helicoidales y el amortiguamiento viscoso
Figura II-15 Idealización del aislador de resortes helicoidales y amortiguamiento viscoso (Stuardi, 2008)
a) Caja de resorte b) Sección transversal de la caja de resorte
Figura II-16 Aislador de resortes helicoidales y amortiguamiento viscoso– Componente helicoidal (Stuardi, 2008)
a) Caja de amortiguamiento viscoso b) Sección de la caja de amortiguamiento viscoso
Figura II-17 Aislador de resortes helicoidales y amortiguamiento viscoso– Componente de amortiguamiento viscoso (Stuardi, 2008)
